步進(jìn)電機(jī)自動控制的多功能旋轉(zhuǎn)式操作面板設(shè)計方案

隨著模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，各類模擬器應(yīng)用于軍用和民用許多領(lǐng)域，在人才培養(yǎng)、樣機(jī)研制等方面起到了重要作用，發(fā)揮出了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在實(shí)踐中，由于經(jīng)常會為同一系列的不同型號裝備、設(shè)備研制多套模擬器，從而導(dǎo)致造價高、存放空間利用率低等問題。研制適用于特定領(lǐng)域的通用模擬器是解決這些問題的很好思路。從裝備發(fā)展、模擬訓(xùn)練、人才培養(yǎng)等方面分析了通用模擬器研制的必要性，并進(jìn)行了可行性分析。設(shè)計了通用搜索雷達(dá)模擬器和衛(wèi)星測控通用模擬器。

本文作者在進(jìn)行某型艦艇電子裝備通用模擬器設(shè)計研制過程中發(fā)現(xiàn)，同一系列不同型號裝備的整體結(jié)構(gòu)和外觀布局大體相同，主要區(qū)別在于局部操作元器件不同。為了實(shí)現(xiàn)模擬器的通用化，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于步進(jìn)電機(jī)自動控制的多功能旋轉(zhuǎn)式操作面板。

1旋轉(zhuǎn)式操作面板硬件設(shè)計

1.1組成結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式操作面板由元器件三面體、控制板、步進(jìn)電機(jī)組件、旋轉(zhuǎn)體主軸、上位機(jī)組成。由控制板向步進(jìn)電機(jī)組件發(fā)送控制指令，步進(jìn)電機(jī)組件通過旋轉(zhuǎn)體主軸帶動元器件三面體實(shí)現(xiàn)操作面板的旋轉(zhuǎn)。工作流程如下：

（1）上位機(jī)軟件下發(fā)旋轉(zhuǎn)切換指令給控制板，使其發(fā)送步進(jìn)脈沖信號和方向電平信號給步進(jìn)電機(jī)組件。

（2）步進(jìn)電機(jī)組件收到信號后，旋轉(zhuǎn)元器件三面體至合適位置，結(jié)束旋轉(zhuǎn)操作。

（3）用戶操作元器件三面體上的元件，操作結(jié)果上傳至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.2元器件三面體設(shè)計

在某型艦艇電子裝備通用模擬器中，元器件三面體能夠?qū)崿F(xiàn)三種不同類型的界面布局結(jié)構(gòu)（見圖1）。元器件三面體的三個面分別記為A面、B面、C面。A面元件為五個按鍵；B面元件分別為兩個指示燈、一個蜂鳴器、一個按鍵和三個旋鈕；C面元件為四個旋鈕。

將元器件三面體上的元件信號通過數(shù)據(jù)線引至控制板，并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。為避免旋轉(zhuǎn)過程中數(shù)據(jù)線出現(xiàn)纏繞，選取某個操作面為基準(zhǔn)操作面，其他兩個面采用往復(fù)雙向旋轉(zhuǎn)復(fù)位方式運(yùn)行工作。

1.3控制板設(shè)計

旋轉(zhuǎn)式面板控制板由主控制器、電源電路、CAN通信電路、驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動電路、元器件通信電路組成（見圖2）。主控制器接收上位機(jī)指令，轉(zhuǎn)動元器件三面體至合適的平面位置。電源電路實(shí)現(xiàn)將12V轉(zhuǎn)換為5V，再將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V供給給主控制器。CAN通信電路主要由CAN總線接口及CAN收發(fā)器組成，連接上位機(jī)并接收CAN通信指令。驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動電路主要完成發(fā)送步進(jìn)脈沖信號和方向電平信號至電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，使其帶動元器件三面體轉(zhuǎn)動。元器件通信電路實(shí)現(xiàn)元器件與上位機(jī)通信。

2通信協(xié)議設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件與控制板軟件的通信，需要設(shè)計通信協(xié)議格式。通信指令分為兩類：

（1）上位機(jī)向控制板發(fā)送元器件三面體切換指令。

（2）控制板向上位機(jī)發(fā)送操作面板的元器件狀態(tài)指令。

通信協(xié)議格式見表1.

3軟件設(shè)計

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)指令驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動元器件三面體、掃描元器件操作狀態(tài)等功能。

3.1.1接收指令切換旋轉(zhuǎn)面板

判斷是否接收到指令，當(dāng)接收到指令時轉(zhuǎn)Step2，否則繼續(xù)等待；設(shè)置步進(jìn)脈沖信號和方向電平信號；將面板切換至合適的位置。

3.1.2掃描元器件狀態(tài)

啟動定時器，定時掃描元器件狀態(tài)；掃描元器件狀態(tài)是否發(fā)生變化，當(dāng)發(fā)生變化時發(fā)送給上位機(jī)程序，否則繼續(xù)定時掃描元器件狀態(tài)。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，設(shè)計的重點(diǎn)是上位機(jī)通信類。CAN通信接口采用千目電子的USB-CAN轉(zhuǎn)換器，該產(chǎn)品附帶支持二次開發(fā)的動態(tài)庫。

利用VC++實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信類的編程，該類的功能主要是下發(fā)旋轉(zhuǎn)式操作面板切換方案、接收元器件狀態(tài)。該類主要包括設(shè)備初始化方法（InitCan）、數(shù)據(jù)發(fā)送方法（SendData）、數(shù)據(jù)接收方法（RecvData）。

InitCan方法

InitCan方法完成連接并打開CAN設(shè)備，輸入參數(shù)是CAN設(shè)備號、波特率，輸出值為布爾類型，標(biāo)識CAN設(shè)備是否打開。

處理過程：

1. 加載收發(fā)指令動態(tài)庫；
2. 調(diào)用動態(tài)庫中的Init_can函數(shù)連接并打開CAN設(shè)備。
3. SendData方法
4. SendData完成下發(fā)指令功能，輸入?yún)?shù)是顯示指令，輸出值為布爾類型，標(biāo)識發(fā)送是否成功。處理過程：
5. 設(shè)置要發(fā)送的指令；
6. 調(diào)用動態(tài)庫中的Can_send函數(shù)發(fā)送指令。
7. RecvData方法
8. RecvData完成接收指令和解析指令的功能。處理過程：
9. 調(diào)用動態(tài)庫中的Can_receive函數(shù)接收指令；
10. 根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行解析，符合協(xié)議則處理，否則不處理。

4結(jié)束語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種基于步進(jìn)電機(jī)自動控制的多功能旋轉(zhuǎn)式操作面板，并應(yīng)用于某型艦艇電子裝備通用模擬器的研制，較好地解決了同一系列不同型號裝備操作面板的模擬問題。該設(shè)計方案同樣適用于其他多功能機(jī)電設(shè)備的設(shè)計，可以為解決操作面板可用面積不足時的元器件布設(shè)問題提供很好的借鑒作用。